Текст книги "Секреты и ложь. Безопасность данных в цифровом мире"

Автор книги: Брюс Шнайер

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 34 страниц)

Часть II
Технологии

Система безопасности, как луковица, состоит из слоев. На внешнем слое находятся пользователи, по-разному использующие систему, по-разному всем доверяющие и по-разному же реагирующие на баги системы. Внутри «луковицы» находятся связи, обеспечивающие безопасность взаимодействия пользователя с системой и контактов различных систем. Еще ближе к сердцевине расположены программные средства, наверняка содержащие ошибки; поэтому естественно ожидать, что для них у нас есть какие-то элементы защиты. Эти программы работают в сетях и на отдельных компьютерах. Двигаясь глубже, мы обнаружим теоретически идеальные протоколы обмена данными. И в самой сердцевине (иногда) располагается криптография: математические уравнения, описывающие условия безопасности.

Защита – это процесс, а не продукт. Он включает в себя большое количество компонентов. Как и в любом процессе, одни из них – более сильные, надежные, гибкие и безопасные, чем остальные. Кроме того, компоненты должны работать совместно. Чем лучше они совместимы, тем лучше идет весь процесс. Часто наименьшей надежностью обладают именно связи между компонентами.

Защита также похожа на цепь. Она состоит из многих звеньев, и для прочности цепи важно каждое из них. И, подобно цепи, надежность всей системы безопасности определяется надежностью самого слабого ее звена. В этой части книги мы коснемся различных технологий защиты, из которых состоит эта цепь, постепенно продвигаясь от сердцевины «луковицы» к внешним слоям.

И мы постараемся не злоупотреблять смешением плохо согласующихся между собой метафор.

Глава 6
Криптография

Криптография весьма загадочна. С одной стороны – это набор сложных математических выражений. Шифровальщики вечно изобретают сложные математические преобразования, а им вечно противостоят криптоаналитики, находя все более оригинальные способы нарушить работу этой математики. У шифрования длинная и славная история: с его помощью наперсники, любовники, тайные общества и правительства на века сохраняли свои секреты.

С другой стороны, криптография – это одна из основных технологий в киберпространстве. Она позволяет нам взять все те деловые и социальные структуры, с которыми мы привыкли иметь дело в физическом мире, и переместить их в киберпространство. Криптография – это технология, позволяющая нам обеспечить безопасность в киберпространстве и бороться с теми атаками и злоумышленниками, о которых шла речь в части I. Без криптографии никогда бы не смогла распространиться электронная торговля. Криптография не являет собой панацею, для полной надежности вам потребуется еще много всего другого, но она, несомненно, важна.

Для того чтобы понять, как обеспечивается безопасность в киберпространстве, вы должны уяснить, как устроена криптография. Вам не обязательно разбираться в математике, но придется освоить некоторые приемы ее применения. Следует иметь представление о том, что может криптография и, что еще важнее, чего она не может. Вы должны уметь рассматривать ее в контексте компьютерной и сетевой безопасности. Две следующие главы не превратят вас в шифровальщиков, а только научат грамотно пользоваться криптографией.

С точки зрения пользователя, криптография представляет собой туманный объект, выполняющий функции защиты, – вроде Бэтмана – нечто грозное, но справедливое и наделенное мистической силой. Если пользователь уделит ей немного внимания, криптография предстанет перед ним целым собранием акронимов, которые способны обеспечить решение самых различных задач безопасности. Например, IPsec защищает трафик в Интернете. С его помощью обеспечивается безопасность виртуальных частных сетей (VPN). Протокол SSL (Secure Sockets Layer) отвечает за безопасность соединений Всемирной Сети. Системы PGP (Pretty Good Privacy) и S/MIME гарантируют надежность электронной почты; они не дают прочитать сообщения никому, кроме адресата, и не допускают фальсификации авторства. Протокол SET защищает операции, проводящиеся в Интернете с использованием кредитных карт. Все вышеперечисленное – это протоколы. Существуют протоколы для защиты цифровой информации (музыки, фильмов и т. п.), для аутентификации сотовых телефонов (чтобы предотвратить мошенничество), для электронной торговли и для многого другого. Чтобы создать эти протоколы, шифровальщики используют различные алгоритмы: алгоритмы шифрования, цифровой подписи и т. д.

Симметричное шифрование

Исторически криптография использовалась с одной единственной целью: сохранить секрет. Даже сама письменность была своего рода шифрованием (в Древнем Китае только высшие слои общества могли обучаться чтению и письму), а первый опыт применения криптографии в Египте относится примерно к 1900 году до н. э.: автор надписи пользовался необычными иероглифами. Есть и другие примеры: дощечки из Месопотамии, на которых зашифрована формула изготовления керамической глазури (1500 год до н. э.), еврейский шифр ATBASH (500—600 годы до н. э.), греческое «небесное письмо» (486 год до н. э.) и шифр простой подстановки Юлия Цезаря (50-60 год до н. э.). Кама Сутра Ватсьяяны даже помещает искусство тайнописи на 44-е, а искусство секретного разговора на 45-е место в списке 64 искусств (йог), которыми должны владеть мужчины и женщины.

Основная идея, лежащая в основе криптографии, такова: группа людей может секретным способом записывать послания так, что они будут непонятны всем остальным. Пусть имеются сообщения (их еще называют открытым текстом), которые кто-то хочет сохранить в секрете. Представим, что кто-то (назовем ее Алиса) хочет послать сообщение кому-то другому (например, Бобу); а может, она хочет сама перечитать его через несколько дней. Но она точно не хочет, чтобы кто-нибудь другой, кроме Боба, смог этот текст прочесть.

Поэтому Алиса зашифровывает сообщение. Она придумывает какие-нибудь преобразования (их называют алгоритмом), превращающие открытый текст в зашифрованный. Такое зашифрованное сообщение кажется абсолютной абракадаброй, поэтому перехватчица (назовем ее Евой), в чьи руки оно попало, не может превратить его опять в открытый текст, а значит, не сумеет понять смысла сообщения. А Боб знает, как произвести обратное преобразование и превратить шифрограмму в открытый текст.

Такая схема более или менее работает. Алиса может при помощи изобретенного ею алгоритма зашифровать свой секрет глазури для керамики. Алиса и Боб могут договориться об алгоритме, чтобы поделиться друг с другом мыслями о Кама Сутре. Целый общественный класс – китайская знать (хотя, скорее всего, никого из них Бобом не звали) – использовал письменность, чтобы утаить от крестьян государственные тайны.

Но возникают определенные сложности. Во-первых, алгоритм должен быть надежным. Не надейтесь, что Ева посмотрит на зашифрованное сообщение, пожмет плечами и отступится. Она твердо намерена прочесть открытый текст. Если Ева – это правительство Великобритании времен Второй мировой войны, она наймет лучших математиков, лингвистов и шахматистов страны, запрет их и еще 10 000 человек в тайной резиденции в Блетчли Парк и создаст компьютер – только так она сможет взломать алгоритм и восстановить текст сообщения. Агентство национальной безопасности – единственный в своем роде крупнейший потребитель компьютерного оборудования и работодатель математиков. Алисе нужно быть очень ловким шифровальщиком, если ей предстоит перехитрить Еву такого уровня. Я еще расскажу об этом позже.

Во-вторых, сложно включать и исключать людей из группы избранных, которым известен алгоритм. Чтобы обмениваться тайными посланиями с китайским аристократом, вам придется научиться китайской грамоте. Это потребует времени. Если через какое-то время вы утратите расположение правительства, у последнего будет только один способ помешать вам читать все сообщения. Вы знаете, как осуществляется шифрование, и если правительство не хочет, чтобы вы читали его переписку и дальше, ему придется вас убить. (Во время Второй мировой войны американская армия использовала в качестве шифра язык навахо. Те, кто говорил на этом языке, сохранили секрет от японцев, но вся система могла бы рухнуть, если бы хоть один навахо перешел на вражескую сторону.)

Останься эти две проблемы неразрешенными, в наше время криптография могла бы стать почти бесполезной. Представьте, что вы, один из скольких-то там миллионов пользователей Интернета, хотите посекретничать с сотней своих лучших друзей. Вы хотите пользоваться не одним и тем же тайным языком для всех ста друзей, а использовать сто разных секретных алгоритмов. (Вам необходима попарная секретность. И того же желают остальные несколько миллионов пользователей Интернета.) Это означает, что вам придется создать эти 100 различных алгоритмов шифрования, обменяться ими с каждым из друзей, самостоятельно запрограммировать все алгоритмы в своем компьютере (вы ведь никому этого не доверите) и надеяться на то, что вы умнее тех, кто, возможно, попытается понять ваш алгоритм.

Очень маловероятно.

В этом прелесть ключа. Замок на вашей двери – это серийный продукт какой-то безликой компании, которую нисколько не заботит ценность вашей коллекции марочных вин, но вы и не должны им доверять. Они не говорят вам: «Помните, любой, у кого есть замок такой же марки, может открыть ваш замок». У вас есть ключ. Набор шпеньков в замке, соответствующий вашему ключу, отличает ваш замок от всех остальных замков в округе, несмотря на то что у них может быть та же модель. (На самом деле пример упрощен. Вы все же должны принять на веру, что они правильно собрали замок и не припасли запасных ключей. Но мы пока что не принимаем это во внимание.)

Дверной замок служит примером такой же модели защиты, какую в 1466 году привнес в криптографию Леон Баттиста Альберти, известный итальянский архитектор эпохи Возрождения, создав криптографический ключ. У кого угодно могут быть замки одинаковых моделей, но ключи у всех разные. Конструкция замка не является уникальной – у слесарей есть книги с подробными схемами, а большинство хороших моделей описаны в общедоступных патентах, – но ключ является тайной. У вас есть ключ, значит, вы можете отпереть дверь. Если вы одолжите ключ другу, то он сможет войти в дом. А тот, у кого ключа нет, останется на улице. (Слесарями в данном случае будут криптоаналитики; до них мы доберемся позднее.)

Применение такой модели в криптографии решает обе упомянутые выше проблемы. Алгоритмы, так же как и замки, можно стандартизировать. Стандарт шифрования данных (Data Encryption Standard, DES) – это общепринятый криптографический алгоритм, широко распространенный с 1977 года. Его использовали в тысячах различных программ для любых приложений. Самые сокровенные подробности устройства DES были опубликованы с первого дня его существования; их опубликовали даже до того, как этот алгоритм приняли в качестве стандарта. Доступность этого алгоритма не сказывается на безопасности, поскольку различные группы пользователей выбирают себе разные секретные ключи. Если Алиса и Боб пользуются одним ключом, значит, они могут общаться. Ева ключа не знает, следовательно, она не сможет прочесть их сообщения – даже если у нее есть точно такие же шифровальные программы, как у Алисы и Боба.

С помощью ключей решается задача включения и исключения людей из группы избранных. Если Алиса и Боб договорились о совместном использовании одного ключа и хотят, чтобы Ким Филби смог присоединиться к их общению, они просто дадут ему копию ключа. Если позже они решат, что Филби передает секреты Советскому Союзу, им нужно просто сменить ключ и не сообщать об этом Филби. С этого момента он исключен из системы и больше не сможет читать сообщения, зашифрованные новым ключом. (Увы, он все же может прочитать старые.)

Современная криптография традиционно устроена именно таким образом. Алгоритмы заменяют традиционные ручку и бумагу – они оперируют битами вместо символов алфавита, компьютеры оснащены эффективными микропроцессорами и интегральными схемами, – но философия остается прежней. Алгоритм доступен для всех, а общающиеся стороны договариваются о секретном ключе, который они применят для этого алгоритма.

Такие алгоритмы называют симметричными, потому что отправитель и получатель используют один и тот же ключ. Ключ представляет собой случайную строку битов некоторой длины: в 2000 году хорошей длиной ключа считалась длина в 128 бит. У различных симметричных алгоритмов – разная длина ключей.

Симметричные алгоритмы можно обнаружить в шифровальных системах всего компьютеризованного мира. Общепринятыми алгоритмами считают DES и тройной DES, RC4 и RC5, IDEA и Blowfish. Улучшенный стандарт шифрования (Advanced Encryption Standard, AES) вскоре станет стандартным алгоритмом шифрования правительства США[18]18
  40– и 48-битовые ключи RC5 были вскрыты (за 3,5 и 316 часов) на конкурсе, объявленном Bell Labs, в 1997 году, на сети из 250 компьютеров университета Беркли. (40 бит – экспортное ограничение США на ключи шифрования.) Через полгода пал DES (56-битовый ключ вскрывался 140 дней). В 1998 году он уже был вскрыт за 39 дней. Именно тогда национальный институт стандартизации США (NIST) объявил конкурс на утверждение нового стандарта AES (Advanced Encryption Standard), призванного защищать конфиденциальную, но не секретную информацию. На конкурс было подано 15 заявок, первый этап отбора прошли только 5 (включая RC6). В числе финалистов был и TwoFish – разработанный компанией Шнайера Counterpane Labs (впитавший много из Blowfish). (Бизнес Шнайера после этого резко пошел в гору, была основана новая компания, о TwoFish много писали в прессе.) Победителем стал шифр Rijndael (быстрый блочный шифр, реализованный на математическом аппарате теории конечных полей). В 2001 году Rijndael был принят в качестве американского стандарта криптографической защиты AES и заменил отживший свое DES – обратите внимание при чтении следующей главы в разделе «Выбор алгоритма или протокола». Правда, из заявленного множества длин ключей (128, 192, 256) остался только 128-битовый. – Примеч. ред.


[Закрыть]. При помощи этих алгоритмов обеспечивается безопасность частных сообщений электронной почты, индивидуальных файлов, электронных банковских операций и кодов запуска ракет с ядерными боеголовками. Эти алгоритмы препятствуют нарушению конфиденциальности.

Но они несовершенны.

Проблема в распределении ключей. Для того чтобы описанная система работала, Алиса и Боб должны договориться о секретном ключе перед тем, как получат возможность обменяться тайными сообщениями. Если они достаточно сообразительны, то будут регулярно менять ключ, скажем, раз в день. Им необходимо как-то тайно уславливаться об этих ежедневно изменяющихся ключах, так как, перехватив ключ, кто угодно сможет читать все сообщения, зашифрованные с его помощью. Кроме того, поскольку необходима попарная секретность, количество ключей будет возрастать пропорционально квадрату количества пользователей. Двум пользователям нужен только один ключ, но сеть из десяти пользователей требует 45 ключей[19]19
  В случае попарных комбинаторных сочетаний их количество подчиняется зависимости, близкой к квадратичной. – Примеч. ред.


[Закрыть], чтобы предоставить каждой паре возможность секретного общения. А сеть из 100 пользователей потребует 4950 различных ключей. В 80-х годах корабли Военно-Морского флота США отправлялись в плавание с полным набором ключей, предоставляемых Агентством национальной безопасности – каждый ключ был напечатан на бумажной ленте, перфокарте или на чем-нибудь еще; этого было достаточно для всех сеансов связи на все время выполнения задания. Но недостаточно только распространять ключи секретно: их нужно секретно хранить, секретно использовать, а затем секретно уничтожать. Алиса и Боб обязаны хранить свои ключи в тайне в течение всего времени, пока им необходимо общаться друг с другом и быть уверенными, что ни у кого больше нет их ключей. Секретность должна соблюдаться как до и во время использования ключа, так и впоследствии.

Это означает, что уничтожение ключей имеет большое значение. Алиса и Боб не могут просто выбросить свой ключ в корзину в конце работы и надеяться, что его никто не найдет. Перехватчики не пренебрегают хранением зашифрованных посланий, которых не способны прочесть, в надежде, что найдут к ним ключ через несколько дней. Агентство национальной безопасности получило возможность расшифровать русский трафик VENONA (вспомните эту историю; это действительно поучительно) только благодаря тому, что СССР повторно использовал ключ, который, должно быть, ранее выбросил, и тому, что АНБ хранило все эти советские шифрованные сообщения более 10 лет[20]20
  Venona, тайная операция спецслужб США периода Второй мировой войны, получила свое название по имени матери Гайаваты из поэмы Г. Лонгфелло. В результате многократного использования одноразового шифра при обмене донесениями между Центром и резидентурой была расшифрована секретная переписка советской разведки, что привело к разоблачению и аресту множества агентов, работавших в 1939—1957 годах. Официально операция завершена в 1980 году. Американский исследователь истории криптографии Роберт Луис Бенсон, офицер АНБ, в 1996 году подготовил двухтомный сборник, названный «VENONA. Soviet Espionage and American Responce», куда вошли и материалы по Venona. Их можно посмотреть на сайте АНБ (http://www nsa gov/docs/venona). – Примеч. ред.


[Закрыть].

Есть множество исторических примеров, когда недостаточное внимание к обращению с ключами приводило к разгадке безупречного шифрования. Джон Уокер служил в военно-морском флоте США и был офицером безопасности, ответственным за обеспечение безопасности ключей, но одновременно он делал и другую карьеру, фотографируя ключи флота и отсылая фотографии русским. Японская секта поклонников смерти Аум Синрике зашифровала свои компьютерные записи, но она была настолько неосторожна, что оставили копии ключей на дискете, обнаруженной полицией. Это произошло в 1995 году: не кажется ли вам, что приверженцы культа смерти могли бы к тому времени кое-что знать о ключах.

Типы криптографических атак

Что означает «взломать» алгоритм? На первый взгляд очевидно – кто-то сможет прочитать сообщение, не имея ключа. Но на самом деле все сложнее.

Если злоумышленник просто берет зашифрованное сообщение и восстанавливает открытый текст, то такую атаку называют атакой с использованием только шифрованного текста (cipher text-only attack). Их, как правило, больше не используют – современные алгоритмы слишком хороши, чтобы их одолеть атаками такого рода.

С большей вероятностью можно встретить атаки с использованием известного открытого текста (known-playn text attack): у дешифровщика есть образец открытого и шифрованного текста, что позволяет ему восстановить ключ. На первый взгляд может показаться, что это бесполезно, но на самом деле смысл есть. Если при помощи этого же ключа будут зашифрованы другие тексты, злоумышленник сумеет взять ключ и прочесть остальные тексты. Например, почти у всех компьютерных файлов есть заголовок. Все файлы Microsoft Word, например, начинаются с нескольких сотен одинаковых байтов. (Это «невидимые» символы – служебные байты программы, и они не отображаются в окне.) Если криптоаналитик может, воспользовавшись имеющимся открытым текстом, воспроизвести ключ, то сумеет прочитать документ Word полностью. Атаки, при которых известен открытый текст, с большим успехом применяли против немецкой «Энигмы». Аналитики получали в руки единственный незашифрованный текст, например прогноз погоды, а через некоторое время один из отдаленных немецких постов в Норвегии начинал пунктуально присылать ежедневные одинаковые сообщения: «Нечего сообщать». (Открытый текст можно еще называть шпаргалкой.) Обычно таким образом узнавали ключ текущего дня, а затем с помощью ключа читали зашифрованные сообщения.

Еще более действенной является атака с помощью избранного открытого текста (chosen-plain text attack). При такой атаке криптоаналитик имеет возможность выбрать сообщение, которое после этого зашифровывают. Затем он получает зашифрованное сообщение и восстанавливает ключ. Атаки этого рода срабатывали против немецких шифров: союзники сознательно допускали утечку определенной информации для того, чтобы получить зашифрованный текст, или провоцировали сообщения о событиях в городах с уникальными названиями, служащие особенно хорошими шпаргалками. Эти атаки хорошо срабатывают и против некоторых систем, использующих смарт-карты, в результате чего злоумышленники получают возможность помещать на карту нужную им информацию.

Все эти атаки объединяет то, что аналитикам известны детали алгоритма. (Единственным исключением, которое мне известно, сегодня является японский код PURPLE.) Это не просто ученый ярлык, а очень хороший механизм. Если в программах будут использовать какой-то алгоритм, то его «раскрутят» и в обратную сторону. Среди секретных когда-то алгоритмов, которые уже «раскрутили» – RC4, все алгоритмы шифрования цифровой сотовой связи, DVD– и DIVX-алгоритмы шифрования видеоизображений и алгоритм Firewire. Захватят и расшифруют даже алгоритмы, глубоко запрятанные в военном оборудовании. Примерами могут служить «Энигма» во Второй мировой войне[21]21
  «Энигма» – одна из первых роторных машин, осуществляющая шифрование (многоалфавитную подстановку) посредством взаимодействия вращающихся роторов. Разработана в 1917 году Эдвардом Хеберном и усовершенствована Артуром Кирхом. Роторные машины активно использовались во время Второй мировой войны. Для того времени это было последнее слово докомпьютерной криптографии. До появления ЭВМ шифры роторных машин считались наиболее стойкими. После Второй мировой войны США продавало немецкую «Энигму» в страны Третьего мира. Факт, что шифр уже взломан, долгие годы при этом оставался засекреченным. До недавнего времени шифр «Энигмы» использовался отдельными UNIX-системами для шифрования файлов. Алгоритмы «Энигмы» были опубликованы в 60-х годах, как и связанные с ними результаты по решению уравнений в подстановках. Японское устройство Purple (пурпурный, багровый, царский) также является роторной машиной. – Примеч. ред.


[Закрыть] или почти все алгоритмы НАТО и Варшавского договора во времена холодной войны. (Мы их не знаем, но весьма компетентные военные занимались их расшифровкой.) Полезно предполагать, что врагу известны подробности вашего алгоритма, потому что в конечном итоге они все равно станут ему известны. Август Керхкофф первым сформулировал это положение в 1883 году: «В алгоритме нет никакой тайны, вся тайна в ключе».

Распознавание открытого текста

В разговоре об атаках всегда возникает один вопрос: как криптоаналитик распознает открытый текст? Ответ прост: его легко узнать, потому что он выглядит как открытый текст. Это сообщение на английском языке или файл компьютерного приложения, изображение в формате JPEG или база данных в каком-нибудь приемлемом формате. Когда вы смотрите на расшифрованный файл, он похож на что-нибудь вам известное. Когда вы смотрите на зашифрованный файл или файл, расшифрованный с применением неправильного ключа, он выглядит как полная тарабарщина. Человек или компьютер могут понимать эту разницу.

В 1940-х годах Клод Шеннон ввел понятие расстояния уникальности (unicitydistance). Среди прочего, расстояние уникальности измеряет количество необходимого зашифрованного текста, позволяющее однозначно воспроизвести открытый текст. Это значение зависит и от свойств открытого текста, и от длины ключа, характерной для такого алгоритма шифрования.

Например, алгоритм RC4 зашифровывает данные в байтах. Представьте себе одну единственную букву в ASCII-кодировке в качестве открытого текста. На 26 букв приходится 256 возможных вариантов кодирования. Любой случайный ключ, если использовать его для расшифровки этого текста (буквы), с вероятностью 26/256 даст верный открытый текст. У аналитика нет никакого средства, позволяющего отличить ошибочный открытый текст от правильного.

Представьте теперь сообщение электронной почты размером 1 Кбайт. Аналитик пытается применять случайные ключи, и в конечном счете возникает открытый текст, который выглядит как сообщение электронной почты: слова, фразы, предложения, грамматика. Вероятность того, что это неправильный открытый текст, бесконечно мала.

Для стандартного англоязычного сообщения расстояние уникальности равно К/6,8, где К – это длина ключа в битах. (6,8 – степень естественной избыточности английского языка. Для других открытых текстов она будет больше или меньше, но незначительно.) Для ASCII-кода, применяемого согласно стандарту DES, расстояние уникальности составляет 8,2 байт. Для 128-битового шифра это примерно 19 байт. Таким образом, для англоязычных сообщений, длина которых превышает 19 байт, расшифрованный текст, похожий на английский, с большой вероятностью будет истинным открытым текстом. Почти такое же значение расстояния единственности имеют файлы электронных таблиц, текстовых процессоров и баз данных. (На самом деле оно может быть намного меньше, потому что форматы файлов предполагают стандартное начало файла.) Для сжатых файлов расстояние уникальности могло бы быть в два-три раза больше (но опять-таки, стандартное начало может его существенно снизить).

Отсюда мораль: «Распознать открытый текст просто, и для этого не требуется большого количества информации».

Коды аутентификации сообщений

Коды аутентификации сообщений (Message authentication codes или MACs) – это следующий базисный элемент, о котором мы поговорим. Они не обеспечивают секретность, но гарантируют аутентификацию и целостность. Они дают уверенность, что сообщение пришло именно от того человека, который обозначен как автор (это аутентификация), и что сообщение по пути не изменилось (а это целостность).

Вы можете рассматривать MAC как защищающую от вскрытия оболочку сообщения. Кто угодно может прочесть сообщение – оболочка не обеспечивает секретность. Но кто-то, кто знает ключ MAC, может удостовериться, что сообщение не было изменено. Конкретнее, MAC – это номер, который прикреплен к цифровому сообщению.

Для MAC применяют секретные ключи совместного использования, типа симметричных алгоритмов шифрования. Сначала Алиса договаривается о ключе с Бобом. Затем, когда она хочет послать Бобу сообщение, она вычисляет MAC сообщения (применяя секретный ключ) и присваивает его сообщению. У каждого сообщения есть уникальный MAC для любого возможного ключа.

Когда Боб получает сообщение, он вычисляет его MAC (опять-таки используя все тот же совместный ключ) и сравнивает его с тем значением MAC, которое прислала Алиса. Если они совпадают, то он может быть уверен в двух вещах: сообщение действительно пришло от Алисы (или от кого-то, кто знает секрет общего ключа) – потому что только применяя этот ключ, можно вычислить MAC, и это сообщение цельное и не измененное – так как MAC можно вычислить только по полному и точному сообщению. Если бы Ева (помните нашу перехватчицу?) прослушивала связь, она смогла бы прочитать сообщение. Однако если бы она попыталась изменить текст сообщения или MAC, то вычисленный Бобом MAC не был бы равен тому значению, которое он получил. Еве пришлось бы изменить сообщение, а затем изменить MAC, чтобы он был правильным для нового сообщения, но она не могла бы этого сделать, так как не знает ключа. Банки используют такую простую систему аутентификации уже несколько десятилетий.

Алиса может прибегнуть к той же уловке, чтобы установить подлинность информации, содержащейся в базе данных. Добавляя информацию в базу данных, она вычисляет MAC и хранит его вместе с информацией. Когда она извлекает информацию, то снова вычисляет MAC и сравнивает его с тем значением, которое хранилось в базе данных. Если они совпадают, то она приобретает уверенность, что никто не изменил информацию.

MAC постоянно используются в Интернете. Их применяют, например, в протоколе IPsec, чтобы гарантировать, что IP-пакеты не были изменены в промежутке между отправлением и прибытием на место назначения. Их используют во всевозможных протоколах межбанковских переводов для установления подлинности сообщений. Большинство MAC сконструированы с применением симметричных алгоритмов или односторонних хэш-функций. Например, в СВС-МАС применяется симметричный алгоритм, а в НМАС и NMAC – хэш-функции.

Односторонние хэш-функции

Односторонние (однонаправленные) хэш-функции напоминают цифровые отпечатки пальцев: небольшие фрагменты данных, которые могут служить для идентификации достаточно больших цифровых объектов. Это общедоступные функции, у них нет никаких секретных ключей.

Они названы односторонними из-за своей математической природы. Любой может вычислить одностороннее хэш-значение чего угодно (например, текста этой книги). Однако если имеется хэш-значение этой книги, исходя из вычислений невозможно создать другую книгу с таким же значением хэш-функции или получить подлинный текст книги.

Хэш-функция также может обеспечивать аутентификацию и целостность. Если бы вы загрузили эту книгу из Интернета, у вас не было бы никакого способа узнать, написал все это я или кто-то другой все же частично изменил мои слова. Однако, если бы я дал вам в руки хэш-значение для этой книги (типичный 20-байтовый код), вы смогли бы сравнить расчетный результат с тем значением, которое дал я. Если они совпадают, то это моя книга, без изменений.

Хэш-функции широко применяются в криптографии и компьютерной безопасности. Они используются почти во всех протоколах Интернета, чтобы обрабатывать ключи, связывать последовательность событий или аутентифицировать события. Они также важны для алгоритмов цифровой подписи (подробнее об этом – позднее). Они, возможно, – наиболее полезный инструмент в коллекции шифровальщика.

В настоящее время используется целый набор односторонних хэш-функций. Стандарт на хэш-функцию SHA-1 принят правительством США. Для алгоритма безопасности хэширования (Secure Hash Algorithm) есть акронимы, и они приведены в соответствующем стандарте (Secure Hash Standard, SHS). RIPEMD-160 – это европейский алгоритм. MD4 выходит из употребления (хотя вы все еще можете его неожиданно встретить), a MD5 демонстрирует существенные недостатки, и его больше не используют для создания чего-либо нового.

Шифрование открытым ключом

Помните проблему распределения ключей, о которой я упоминал в разговоре о симметричном шифровании? Как два человека могут убедиться, что у них один и тот же ключ и что они могут пользоваться алгоритмом симметричного шифрования или функцией MAC? Шифрование открытым ключом (или асимметричное шифрование) решает эту проблему. Оно позволяет вам посылать секретное сообщение людям, которых вы никогда раньше не встречали и с которыми вы не договаривались о секретном ключе. Оно допускает возможность двум людям обмениваться данными у всех на виду и в результате этого обмена получить секретные данные, которые не сможет получить кто-то, подслушивавший переговоры. Говоря в терминах физического мира, такое шифрование позволяет вам и вашему приятелю прокричать друг другу числа в кафе, битком набитом математиками, – так что, когда вы закончите, вы и ваш приятель получите одно и то же число, и никто, кроме вас двоих, совсем ничего не поймет.

Звучит нелепо? Это кажется невозможным. Если бы вы спросили шифровальщиков со всего света в 1975 году, все они сказали бы, что это невозможно. Так что можете себе представить всеобщее изумление, когда в 1976 году Витфилд Диффи и Мартин Хеллман объяснили, как это сделать. Или удивление британской разведки, когда Джеймс Эллис, Клиффорд Кок и М. Д. Уильямсон осуществили то же самое на несколько лет раньше.

Основная идея в том, чтобы использовать математическую функцию, которую просто вычислять в одном направлении и тяжело – в другом. Одна из таких функций – разложение целых чисел на множители. Если даны два числа, их легко перемножить и найти произведение. Но если дано только произведение, практически невозможно разложить число на множители и определить исходные числа. Как раз такого плана математику можно применять для создания шифрования с открытым ключом: в нее входят арифметические операции над абсолютными значениями чисел, возведение в степень и большие многоразрядные (до нескольких тысяч битов) исходные числа. Сегодня существует добрые полдюжины алгоритмов с названиями вроде RSA, Эль-Гамаль и алгоритм эллиптических кривых. (Алгоритмы, в основе которых лежит так называемая «задача о ранце», конкурировали с ними на ранних стадиях, но по прошествии 20 лет их так или иначе взломали.) Математика для каждого алгоритма своя, но концептуально они все одинаковы.

Вместо единственного ключа совместного пользования у Алисы и Боба есть два ключа: один для шифрования, а другой для расшифровки. Ключи различны, и невозможно, зная один ключ, вычислить другой. То есть если у вас есть ключ для шифрования, вы не сумеете найти ключ для расшифровки.

Вот в этом-то и есть самое интересное. Боб может создать пару таких ключей. Он может взять и обнародовать ключ для шифрования. Он может послать его друзьям, опубликовать на своем веб-сайте или поместить в телефонной книге. Алиса может найти этот ключ. Она может с его помощью зашифровать сообщение для Боба. Затем она может послать ему сообщение. Боб, используя свой ключ расшифровки (который он предусмотрительно не размещал на веб-сайте), сможет расшифровать и прочитать послание Алисы. Заметим, что Алисе не приходится встречаться с Бобом в какой-нибудь темной аллее и договариваться об общем секрете. Бобу даже не обязательно знать Алису. И, как ни странно, даже Алисе не обязательно знать Боба. Если Алиса сможет найти ключ, который Боб обнародовал, она сможет послать ему тайное сообщение, которое никто, кроме Боба, не сможет прочитать. Такое постоянно происходит с пользователями PGP; один из их ключей находится на каком-либо сервере, и тогда совершенно посторонний человек может отправить им зашифрованные сообщения. Даже если вы что-то смыслите в математике, это не менее удивительно.